珊瑚骨料混凝土在島嶼建設(shè)中的應(yīng)用探討

張 宇

廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004

混凝土是由砂、石、水、水泥以及外加劑組成的建筑材料，作為一種歷史悠久的建筑材料，具有耐久性好、可模型高、建筑和維護(hù)成本低廉的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型房建、超高層建筑、橋梁、水壩、隧道等工程中。但是在南海島嶼建設(shè)中，不能發(fā)揮出混凝土運(yùn)輸成本低廉、就地取材的優(yōu)點(diǎn)，因此一種以海水拌養(yǎng)以珊瑚碎屑為粗骨料，珊瑚砂為細(xì)骨料的混凝土能有效的改變這一現(xiàn)象。故而我們應(yīng)該開展珊瑚骨料混凝土的研究。

1 珊瑚骨料混凝土在島嶼建設(shè)中的優(yōu)勢

1.1 運(yùn)輸成本低廉

一般的島嶼均遠(yuǎn)離內(nèi)地，在以往的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)中，島嶼建設(shè)所需的建材均需要從內(nèi)地運(yùn)輸，具有成本高，時間長等諸多不便。南海的淡水資源十分寶貴，傳統(tǒng)混凝土的拌制需要大量消耗島嶼上珍貴的淡水資源。按照砂石海運(yùn)成本計(jì)算，水泥、砂石、淡水的運(yùn)輸成本高達(dá)0.16～0.19萬元/m3，再考慮混凝土中的其他外加劑，混凝土的原材料成本則高達(dá)0.26～0.28萬元/m3。開發(fā)一種可以就地取材，并能運(yùn)用海水拌制的建筑材料對于島嶼工程建設(shè)具有重要意義，而以珊瑚碎屑為“砂”、“石”的珊瑚骨料混凝土能有效的改善這一現(xiàn)狀［1］，采用海水拌制混凝土則能節(jié)省海島上大量的淡水資源，顯著提高海島建筑的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 結(jié)構(gòu)效益好

珊瑚骨料是一種多孔、吸水率高、筒壓強(qiáng)度較低的輕骨料。其表觀密度比天然骨料低20%～40%；珊瑚骨料混凝土的單位質(zhì)量強(qiáng)度大于普通混凝土材料，其質(zhì)輕的特點(diǎn)使其在截面積相同的情況下，可以有效減少結(jié)構(gòu)自重。在南海的島嶼建設(shè)中，采用珊瑚骨料混凝土的建筑對于地基承載力要求較低，尤其對于一些填砂造陸的島嶼更是如此，可以大大縮短地基處理工期。珊瑚骨料混凝土同時具有較好的抗震性能，普通混凝土材料自重大，受到的地震荷載大。而珊瑚骨料混凝土材料本身密度小、質(zhì)量輕，受到的地震荷載小，有很好的減震效果。

1.3 耐火、保溫性較好

珊瑚骨料具有多孔、表觀密度小的特點(diǎn)，故珊瑚骨料混凝土耐火性能好、保溫性好的優(yōu)勢，在火災(zāi)高溫或南海陽光曝曬的條件下，珊瑚骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低，熱阻大，不容易導(dǎo)熱，能跟好的保護(hù)鋼筋。且保溫性能好對于建筑的節(jié)能減排，尤其是在南海島嶼能源寶貴的環(huán)境下具有重要意義。

2 珊瑚骨料混凝土的應(yīng)用情況

2.1 國外應(yīng)用情況

國外對于珊瑚骨料混凝土的應(yīng)用開展研究較早，美軍在二戰(zhàn)太平洋戰(zhàn)場上就將珊瑚骨料混凝土應(yīng)用于比基尼島、莊士敦島、塞班島和關(guān)島等島嶼的民用建筑、公路以及軍用機(jī)場等［2-4］。

20世紀(jì)50年代至60年代，美軍對已建成的珊瑚骨料混凝土建筑進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和評估，并制定了珊瑚碎片骨料［5-8］的開采、加工、攪拌和配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從70年代到90年代，Howdyshell［9］，RickA.Ehlert［10］和其他學(xué)者再一次調(diào)查研究了建于第二次世界大戰(zhàn)期間的珊瑚混凝土建筑，并認(rèn)為可以使用珊瑚作為混凝土粗骨料與合適的配合比配置高性能混凝土，研究發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土建筑物的開裂和脫落的原因來自內(nèi)部，和它們之間的氯離子滲透有關(guān)。為了提高耐久性，有必要增加鋼筋保護(hù)層的厚度。

21世紀(jì)，Wanchai Yodsudjai［11］在研究太平洋沿岸珊瑚等典型骨料混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度隨著骨料強(qiáng)度的增加而增加。超過此范圍后，混凝土強(qiáng)度不增加;當(dāng)骨料強(qiáng)度低于混凝土砂漿強(qiáng)度時，砂漿在混凝土中起主導(dǎo)作用;混凝土破壞中出現(xiàn)裂縫是指當(dāng)骨料強(qiáng)度較低時，裂縫沿砂漿和粗骨料方向滲透，當(dāng)骨料強(qiáng)度較高時，裂縫只存在于砂漿中。

由上述的研究可以發(fā)現(xiàn)國外已經(jīng)將珊瑚混凝土運(yùn)用在島嶼建設(shè)實(shí)際中，驗(yàn)證了用珊瑚骨料制作混凝土的可行性。但是鮮有人對箍筋約束珊瑚混凝土進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.2 國內(nèi)的應(yīng)用情況

國內(nèi)對于珊瑚骨料混凝土的研究也較少。李林［12］在研究珊瑚混凝土的基本特性時發(fā)現(xiàn)珊瑚骨料特殊的微觀孔隙具有吸收和供水功能；其中吸水性使得其周邊的水灰比較低，因此提高了水泥漿體與骨料的粘結(jié)力；骨料供水使得其周圍的水泥漿體養(yǎng)護(hù)較好、密實(shí)度高，因此提高了珊瑚混凝土早期強(qiáng)度。

袁銀峰［13］通過添加礦渣和粉煤灰得到了C30～C55的全珊瑚海水混凝土，發(fā)現(xiàn)全珊瑚海水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度比同等級的普通混凝土和輕集料混凝土大，其軸心抗壓強(qiáng)度則介于普通混凝土和普通輕集料混凝土之間。

郭超［14］通過研究珊瑚混凝土的工作性能，提出了珊瑚混凝土系統(tǒng)的三元結(jié)構(gòu)概念模型，認(rèn)為珊瑚砂漿在系統(tǒng)中的強(qiáng)度與剛度最大，是該種混凝土的強(qiáng)度與性能基礎(chǔ)單元。在配置珊瑚混凝土?xí)r，應(yīng)適度提高砂率以降低骨料的損傷，同時優(yōu)化水泥用量以充分增強(qiáng)凝膠材料的水化反應(yīng)。

趙鶴［15］對方鋼管珊瑚混凝土短柱進(jìn)行研究，分析了套箍增強(qiáng)作用，并且提出了相應(yīng)的承載力計(jì)算公式。

達(dá)波［16］對珊瑚骨料混凝土柱進(jìn)行了大偏壓試驗(yàn)，建立了荷載與位移等參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，和國內(nèi)外法規(guī)對大偏心壓縮下珊瑚骨料鋼筋混凝土柱的極限抗壓承載力進(jìn)行計(jì)算，提出了適用模型。

周文［17］通過研究包括普通混凝土和珊瑚骨料混凝土在內(nèi)的試件得出：普通混凝土和珊瑚骨料混凝土破壞模式相似，但是后者的破壞形式更脆，研究還發(fā)現(xiàn)王立成和宋玉普［18］提出的輕骨料混凝土的破壞準(zhǔn)則適用于珊瑚骨料混凝土。

國內(nèi)對珊瑚混凝土的研究起步相對較晚，主要對珊瑚骨料特性、施工特性、基本配合比設(shè)計(jì)等方面做了研究，但大多研究停留在比較基本的層面。

3 珊瑚骨料混凝土面臨的問題

3.1 技術(shù)因素

考慮到珊瑚骨料混凝土僅適用于島嶼和部分港口建設(shè)，大部分的民用建筑還是以傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料為主。并且大部分建設(shè)單位沒有成功應(yīng)用珊瑚骨料混凝土的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致許多建設(shè)單位不愿意采用這種新型材料。再者由于對于珊瑚骨料混凝土的研究較少，部分采用了此項(xiàng)技術(shù)的建設(shè)單位也只是在一些簡易的鋪裝公路，臨時機(jī)場，臨時建筑上簡單的運(yùn)用，而沒有充分發(fā)揮珊瑚骨料混凝土的強(qiáng)度。

3.2 材料性質(zhì)

珊瑚碎屑作為一種多孔，質(zhì)地較天然石料脆的骨料，其拌制的混凝土破壞形態(tài)較普通混凝土具有脆性，導(dǎo)致其變形能力差，破壞過程突然。盡管其質(zhì)地較普通混凝土輕，但是因?yàn)槠浜哪苣芰Σ?，故抗震性能如何也有待研究。由于珊瑚骨料多孔的性質(zhì)導(dǎo)致其吸水率較高，流動性較普通混凝土差，解決這一問題目前有兩種方法：1.增加水泥的用量；2.加入高性能外加劑如減水劑等。

3.3 耐久性問題

珊瑚骨料作為一種海洋成分，其當(dāng)中的氯離子含量較高，這對于鋼筋的防銹防腐蝕不利，目前解決的方法有：

（1）采用不銹鋼筋作為替代，但這種方式成本較高，且不銹鋼筋的加工焊接等性能也較普通熱軋鋼筋差；

（2）采用新型材料如FRP筋等，這種方式同樣面臨成本高昂的問題，而且FRP筋的加工性能也較差；

（3）采用電鍍或者涂抹高效防銹漆的方式，這種方式較前兩種方式具有取材容易，價格低廉的特點(diǎn)，缺點(diǎn)就是工序繁瑣，且防銹蝕能力有待研究。

4 促進(jìn)珊瑚骨料混凝土應(yīng)用的措施

4.1 推進(jìn)珊瑚骨料混凝土的研究

目前對于珊瑚骨料混凝土的研究較少，許多研究仍處于經(jīng)驗(yàn)階段，故接下來的研究可從以下幾個方面展開：（1）對各類粗骨料的空間分布強(qiáng)度進(jìn)行研究，研究在隨機(jī)分布下粗骨料的空間分布強(qiáng)度，以及對混凝土整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；（2）對珊瑚粗骨料的微觀層面的研究，如界面過渡區(qū)形態(tài)、強(qiáng)度等，探討這類因素對粗骨料和砂漿結(jié)合強(qiáng)度的影響；（3）珊瑚粗骨料作為一種強(qiáng)度低的骨料，可以研究不同漿體材料、不同浸泡時間、不同浸泡濃度對珊瑚粗骨料本身的強(qiáng)化以及對珊瑚混凝土各類性能的改善效果。

4.2 劃分應(yīng)用范圍

我國目前在島嶼建設(shè)方面的前景十分廣闊，島嶼民用建筑、庫房、軍用機(jī)場、跑道、防浪堤都可以使用珊瑚骨料混凝土，但是由于珊瑚骨料混凝土的特性，對于不同建筑其應(yīng)用范圍應(yīng)該是不同的。在應(yīng)用時要考慮到建筑物的使用年限、工期、承載力要求、抗震要求等多方面因素，在進(jìn)行島嶼建筑設(shè)計(jì)時，要充分發(fā)揮珊瑚骨料混凝土就地取材的優(yōu)勢，盡可能的節(jié)約物料運(yùn)輸成本，同時對于一些強(qiáng)度要求，變形能力要求較高的建筑可酌情使用或者混合使用以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4.3 實(shí)現(xiàn)模塊化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)

珊瑚骨料混凝土具有早期強(qiáng)度較大的優(yōu)點(diǎn)，可結(jié)合裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)，在南海珊瑚碎屑資源較為豐富的島嶼建設(shè)珊瑚骨料混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)基地，通過模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)再結(jié)合裝配式建筑的技術(shù)，做到縮短工期，提高施工質(zhì)量，可替換率高的特點(diǎn)，這一應(yīng)用對于軍用建筑尤其重要。

綜上所述，珊瑚骨料混凝土建筑雖然起步較晚且發(fā)展較為緩慢，但是其在島嶼建設(shè)中也具有傳統(tǒng)混凝土不具有的優(yōu)點(diǎn)。所以，在我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略背景下，我們應(yīng)該繼續(xù)加大珊瑚骨料混凝土的研究以及應(yīng)用。